王 沖,張 勍,張 凱,姜棱俊,翟長(zhǎng)秀,高智涵

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)煙草標(biāo)準(zhǔn)化研究中心，河南 鄭州 450001)

集中煙道是現(xiàn)在住宅排煙的主要形式[1-2].對(duì)集中排煙的方式進(jìn)行研究后,發(fā)現(xiàn)集中排煙系統(tǒng)還存在著一些問(wèn)題[3]:一是底層用戶油煙排放困難,排煙效果不佳廚房?jī)?nèi)煙氣殘留較多,嚴(yán)重影響了居室的空氣質(zhì)量;二是有些樓層用戶會(huì)出現(xiàn)串味、倒灌等現(xiàn)象.廚房油煙排放不暢會(huì)影響整個(gè)住宅的空氣質(zhì)量.更重要的是,廚房的油煙含有多種有害成分[4-6],對(duì)身體健康有很大的危害,甚至?xí)T發(fā)包括呼吸道疾病、皮膚疾病、心血管疾病在內(nèi)的各種疾病.廚房油煙排放不暢,廚房?jī)?nèi)烹飪時(shí)產(chǎn)生的燃燒顆粒物以及余熱會(huì)將這些有害物質(zhì)擴(kuò)散到居室其他的區(qū)域,對(duì)人體產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的危害[7],嚴(yán)重影響生活質(zhì)量.因此,如何調(diào)控各層油煙機(jī)排風(fēng)量,防止油煙回流等問(wèn)題便變得越發(fā)重要.

現(xiàn)今主流的煙道通風(fēng)調(diào)控方法就是利用閥門開合對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)控.閥門在管路系統(tǒng)中作為管道的承壓元件,數(shù)量繁多和種類復(fù)雜.而止回閥是則是出現(xiàn)在管路系統(tǒng)中的最常用的閥門類型之一.止回閥的主要功能是防止管道內(nèi)流體介質(zhì)倒流,介質(zhì)順向流動(dòng)時(shí)閥瓣自動(dòng)開啟,介質(zhì)逆向流動(dòng)時(shí)閥瓣自動(dòng)關(guān)閉,因此,止回閥又稱單向閥.常用止回閥按結(jié)構(gòu)劃分主要類型有升降式止回閥、旋啟式止回閥、斜盤式止回閥、雙板式止回閥以及軸流式止回閥等[8-9].本研究煙道中的止回閥采用的是斜盤式止回閥.

煙氣在通過(guò)止回閥時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓力損失,壓力損失越大,煙氣越難以排放[10-11],而止回閥的阻力系數(shù)與煙氣的壓力損失有著直接的數(shù)量關(guān)系[12],因此,對(duì)煙道中止回閥阻力系數(shù)進(jìn)行研究是很有必要的.

1 止回閥阻力系數(shù)數(shù)值模擬

1.1 建立模型

根據(jù)實(shí)體尺寸對(duì)煙道進(jìn)行簡(jiǎn)化建立3維計(jì)算模型如圖1,運(yùn)用Fluent對(duì)其整體內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,對(duì)于止回閥的阻力系數(shù)的計(jì)算,在止回閥不同的開度下給定不同的風(fēng)量來(lái)進(jìn)行模擬.

圖1 止回閥模型示意圖Figure 1 Schematic diagram of check valve model

對(duì)煙道帶有止回閥的部分用Solidworks對(duì)其進(jìn)三維模型的繪制.在三維模型中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和省略,為后續(xù)的網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備.當(dāng)流體經(jīng)過(guò)油煙機(jī),排入管道再經(jīng)止回閥進(jìn)入公煙道,這一管道再利用Gambit軟件中布爾減等功能獲取流體區(qū)域之后畫出,并一同進(jìn)行網(wǎng)格劃分,流體區(qū)域如圖2所示.

圖2 流體區(qū)域示意圖Figure 2 Schematic diagram of fluid region

劃分好網(wǎng)格之后進(jìn)行網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性檢驗(yàn),選取網(wǎng)格量為37.59 W.在止回閥阻力系數(shù)數(shù)值模擬中,采用的邊界條件和支管阻力系數(shù)數(shù)值模擬工作一致,就不贅述.

在進(jìn)行模擬時(shí),止回閥的轉(zhuǎn)動(dòng)角度每10°(止回閥的閥片平行于支管軸線時(shí)為90°)進(jìn)行一次模擬.當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定之后對(duì)其整體壓力分布和速度分布以及幾個(gè)截面上的壓力和速度進(jìn)行分析,并對(duì)止回閥前后兩個(gè)截面上的壓力差進(jìn)行分析.截面1為煙道軸線截面;截面2、3分別為止回閥前后兩個(gè)截面,同時(shí)也是取壓面,截面示意圖如圖3.

圖3 提取截面示意圖Figure 3 Schematic diagram of extraction section

完成截面選取后,對(duì)煙道模型的邊界條件進(jìn)行一系列的調(diào)整,設(shè)置好參數(shù)之后再進(jìn)行數(shù)值模擬工作.進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),油煙機(jī)的各個(gè)檔位流量已知,通過(guò)改變數(shù)值模擬時(shí)的入口邊界條件來(lái)模擬不同檔位(一、二、三檔,其中三檔分風(fēng)量最大)下的油煙機(jī)風(fēng)量.通過(guò)改變止回閥開啟度數(shù)來(lái)模擬不同開度下的煙道,每10°作為一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行模擬,止回閥平行于油煙速度方向?yàn)?0°.阻力系數(shù)計(jì)算公式如下:

(1)

式(1)中:ΔP表示支管進(jìn)出口的壓力差值;ξ為支管的阻力系數(shù);ρ是空氣的密度為1.29 kg/m3;V表示管道內(nèi)的流體速度.

1.2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

止回閥每10°作為一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行模擬,止回閥平行于油煙速度方向?yàn)?0°.每一個(gè)開啟角度下,分別計(jì)算不同的檔位(即三檔、二檔、一檔)下的阻力系數(shù),由于數(shù)據(jù)量很大,因此，下面僅取開啟70°時(shí)二擋(圖4)、開啟70°時(shí)一檔(圖5)和開啟50°時(shí)一檔(圖6)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.

圖4 止回閥開啟70°二檔位數(shù)據(jù)Figure 4 Check valve open 70° of second gear data

圖5 止回閥開啟70°一檔位數(shù)據(jù)Figure 5 Check valve open 70° of first gear data

圖6 止回閥開啟50°一檔位數(shù)據(jù)Figure 6 Check valve open 50° of first gear data

通過(guò)數(shù)值模擬可以看出隨著止回閥開啟角度逐漸變小,止回閥前后取壓面上的壓力變化越來(lái)越大,對(duì)每個(gè)開度下不同油煙機(jī)檔位進(jìn)行數(shù)值模擬并提取結(jié)果,通過(guò)公式(1)計(jì)算得到其阻力系數(shù),并且繪制折線圖如圖7.由折線圖可以得到止回閥在同一開啟角度下隨著油煙機(jī)檔位變化,其阻力系數(shù)基本不變.風(fēng)量對(duì)止回閥阻力系數(shù)的影響可以忽略,認(rèn)為止回閥的阻力系數(shù)只與開啟角度有關(guān).

圖7 止回閥阻力系數(shù)數(shù)值模擬折線圖Figure 7 Numerical simulation diagram of check valve resistance coefficient

2 止回閥阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了更進(jìn)一步對(duì)止回閥阻力系數(shù)進(jìn)行研究,參照支管阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建止回閥實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),對(duì)止回閥的阻力系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,同時(shí)驗(yàn)證數(shù)值模擬工作的可靠性.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與前面提到的支管阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試類似,只是在支管的出口連接有止回閥,取壓點(diǎn)的方式和前面提到的一致,位置取在止回閥進(jìn)出口的位置處.止回閥阻力系數(shù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖8.

圖8 止回閥阻力系數(shù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Figure 8 Field diagram of check valve resistance coefficient test

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)選用的止回閥為電動(dòng)止回閥,可調(diào)節(jié)的角度在90°到30°,電動(dòng)止回閥如圖9.將止回閥安裝在鋁箔管與集中煙道的連接處,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.

圖9 電動(dòng)止回閥實(shí)物圖Figure 9 Physical drawing of electric check valve

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析得出電動(dòng)止回閥在同一開啟角度下,風(fēng)量對(duì)止回閥的影響很小,可以認(rèn)為風(fēng)量對(duì)止回閥的阻力系數(shù)沒有影響,在同一開啟角度下止回閥的阻力系數(shù)只與閥片的開啟角度有關(guān)系.同時(shí)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到:止回閥開啟90°時(shí)阻力系數(shù)約為0.05;70°阻力系數(shù)約為1.25;60°阻力系數(shù)約為3.63;50°阻力系數(shù)約為9.40;40°阻力系數(shù)約為23.80;30°阻力系數(shù)約為91.5.止回閥開啟角度越小止回閥的阻力系數(shù)越大.實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比如圖10.

圖10 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比Figure 10 Comparison between test data and numerical simulation

通過(guò)分析可以看出數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)論一致,止回閥的阻力系數(shù)受風(fēng)量的影響可以忽略,認(rèn)為止回閥的阻力系數(shù)只與止回閥的開啟角度有關(guān),且通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的擬合得到止回閥阻力系數(shù)與開啟角度的關(guān)系為

ξ=k1ek2(90-θ).

(2)

其中，k1=0.115 4,k2=0.111 3.詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1.

表1 詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 detailed experimental data

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,通過(guò)對(duì)比止回閥不同的開啟角度下給定不同的風(fēng)量時(shí)的數(shù)據(jù),結(jié)合公式計(jì)算阻力系數(shù),得出煙道中風(fēng)量大小對(duì)止回閥阻力系數(shù)影響可忽略不計(jì),而隨著開啟角度減小,阻力系數(shù)增大.同時(shí)結(jié)合所得數(shù)據(jù),擬合出了止回閥阻力系數(shù)與開啟角度的關(guān)系,對(duì)油煙機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)和風(fēng)量分配有著很好的借鑒意義.